基于无线局域网的多机器人控制平台的研究.doc

基于无线局域网的多机器人控制平台的研究

摘要：多机器人系统的研究已经成为机器人学研究的一个重要方面，因为多机器人系统具有许多单机器人系统所没有的优点，如空间上的分布性、功能上的分布性、执行任务时的并行性、较强的容错能力、更低的经济成本等。本论文以基于无线局域网的多机器人控制平台为核心。首先对多机器人系统进行了简要概述。然后着重介绍多机器人控制平台的搭建，主要从硬件、软件两个方面对基于无线局域网的多机器人控制平台进行了详细的阐述。硬件部分介绍了基于ARMg的通用多机器人控制板和基于ATmega128的机器人车体控制器的研制。多机器人控制板实现了无线局域网的接入、现场图像采集、LCD触摸屏人机交互等功能。机器人车体控制器实现了直流电机的驱动及控制等功能。软件部分介绍了基于UDP的无线局域网图像传输和基于TCP的控制命令传输。

关键词：机器人；ARM9； 无线局域网。

Research of wireless LAN-based multi-robot control platform
Abstract: Multi-robot systems research has become an important aspect of the robot study. The multi-robot system has many advantages that the single-robot system is unavailable, such as special and functional distribution, the parallelism of mandate execution, and lower economic costs. The wireless local area network based multi-robot control platform is the core of term paper. Firstly, the author make a brief overview of the multi-robot system. Secondly, the author focus on building multi-robot control platform, including the hardware design and software design. In the hardware design part, the author introduce the ARM9 based general purpose multi robot control panel and the ATmega18-based motor controller. In the software design part, the author introduce the follow function:UDP-based wireless LAN image transmission; TCP-based transmission of control commands
Key words: multi-robot; ARM9; RTP; WLAN

0. 引言
随着计算机技术、超大规模集成电路、控制理论、人工智能理论、传感器技术等的不断成熟和发展，由多学科交叉形成的机器人学研究也进入了一个崭新的阶段。人们对机器人的需求不再限于单个机器人，对由多个机器人组成的系统越发感兴趣。多机器人系统的研究己经成为机器人学研究的一个重要方面，因为多机器人系统具有许多单机器人系统所没有的优点，如空间上的分布性、功能上的分布性、执行任务时的并行性、较强的容错能力、更低的经济成本等。
随着网络技术和机器人技术的快速发展，网络通信与控制技术相结合已成为机器人研究领域的热点。基于无线局域网的多机器人控制系统正是上述两种技术结合的产物。传统的局域网采用有线接入方式，难以满足移动机器人的需求。无线局域网是以无线信道作为传输媒体，具有传输速率高、抗干扰性强、网络保密性好的特点。对于有线局域网所存在的问题，无线局域网基本上可以避免，并且可以很好地满足机器人控制系统对无线通信高可靠性、高实时性和高安全性的要求。基于无线局域网的多机器人控制系统是计算机技术、传感器
技术、网络技术、自动控制理论和人工智能等技术的综合应用。
近年来，嵌入式系统以其体积小、性价比高、实时性强、稳定性好等特点得到了广泛的应用。本文针对以WINCES.0操作系统和ARM硬件平台为核心的嵌入式系统，设计了一种基于无线局域网的多机器人控制平台。本文将从硬件设计和软件设计两个方面，完整论述基于无线局域网的多机器人控制平台搭建的整个过程。
在机器人研究的早期，单机器人的结构、运动学、控制和信息处理是研究的重点。随着机器人技术的发展，单个机器人的能力、鲁棒性、可靠性、效率等都有很大的提升。但面对一些复杂的、需要高效率的、并行完成的任务时，单个机器人则难以胜任。为了解决这个问题，机器人学的研究一方面进一步开发智能更高、能力更强、柔性更好的机器人;另一方面在现有机器人的基础上，通过多个机器人之间的协调工作来完成复杂的任务。
从20世纪80年代中期到90年代，分布式人工智能和复杂系统的研究工作逐渐开展并活跃起来，一些学者开始研制各种多机器人系统，并将其作为实验平台以进行相关的理论研究和仿真。这些研究的出现将分布式人工智能、复杂系统、社会学、管理学等其他研究领域的理论及方法引入机器人学的研究中，丰富了机器人学研究的内容。而且，这方面的研究通常从系统的角度出发，探讨机器人群体乃至机器人社会的各种组织方式、信息交互方式、进化机制的基本问题，为机器人学的发展提供了一条新的思路。
机器人学的理论和技术与其在不同领域中日趋广泛深入的应用密切相关。在工业领域，制造业进入90年代后开始面对用户对个性化产品的需求，从而导致对新一代制造系统理论的探讨和研究。工业机器人作为现代制造系统中不可或缺的重要组成部分必须适应这种变革的要求，而对工业机器人群体之间协调协作的研究为工业机器人适应这一变革提供了基础。在军事领域，军用机器人已被用来替代士兵完成一些危险任务，如侦察、排雷等。对于这些危险的工作，通过不同功能的价格低廉的军用机器人群体协作将提高完成任务的效率和成功率。在航空航天领域，很多学者己经针对多个太空机器人，外星探测机器人的协调协作开展研究工作。在服务业，清洁机器人、擦窗机器人、搬运机器人等服务机器人的应用也对协调工作提出了更高的要求。
1. 多机器人控制平台硬件设计
1.1 机器人控制平台硬件系统结构

机器人控制平台的硬件系统结构框图如下图所示，机器人人控制平台的硬件主要分为两大部分，第一部分是以ARM为9核心的中央控制板。这部分的主要功能为:图像采集、数据传输和执行算法。第二部分是以ATmega128为核心的电机驱动板，主要功能为:电机驱动、数据传输和电压变换。

ARM9核心电路如下图所示：

1.2 控制平台通信部分

由于多机器人系统中的单个机器人间需要大量数据通信，传统的无线通信方式由于其通信频率低，并且难实现多点间的全双工通信，所以使用传统的无线通信方式已不能满足机器人间大数据量和全双工通信的要求。而近年来迅速发展的无线局域网技术可以很好的解决上述问题。WLAN既可以实现多点间的全双工通信，又可以满足多点间的大数据量的通信，基于802.11g协议的无线传输速率可达54Mbps，因此，本论文选择了无线局域网作为多机器人间实现点对点、全双工通信的传输介质。
为提高控制平台通信的可靠性，除使用无线局域网作为多机器人系统的通信手段外，控制平台还使用了基于CC1000超高频通信模块作为辅助通信手段。这样，当无线局域网发生问题时，可以通过CC1000无线通信模块实现对多机器人控制平台的两种通信方式做详细介绍。

1.3 无线局域网的组建

多机器人系统的通信网络结构如下图，图中的各机器人节点上位机之间均可以实现点对点的数据传输，从而为多机器人能够协同工作提供必要的通信基础。实现上述多机器人系统通信所需的无线局域网，根据现阶段通信技术的发展水平，单个机器人平台选用了54M无线路由器作为组建无线局域网的收发装置，无线路由器的型号为 LINKSYSwRH54G。
以往的无线局域网组建模式为:以无线路由器为核心，以装载了无线网卡的计算机为节点，组成无线局域网。这样，每个节点选用无线网卡作为接入无线局域网的发送接收装置。而本设计没有选用传统模式组建无线局域网，每个节点均选用无线路由器作为搭建无线局域网的收发装置，这样做的好处为:若传统组网方式中的路由器发生故障，则整个网路瘫痪。而每个节点均使用路由器的好处在于，无论网络中的哪个路由器发生故障，其他节点上的路由器均会取而代之。这正是本论文的创新点。

2. 多机器人控制平台的软件设计
2. 1 　操作系统的定制
本设计选用了 MicrosoftWindowsCE操作系统。winCE是一个紧凑的、高效且可扩展的32位操作系统，适用于各种嵌入式系统和产品。它拥有多线程、多任务和确定性的实时、完全抢占式优先级的操作系统环境，专门面向只有有限资源的硬件系统;同时，它的模块化设计方式使得系统开发人员和应用开发人员能够为多种多样的产品来定制它，可以选择、组合和配置winCE的模块和组件来创建用户版的操作系统。
在WinCE产品开发中，主要有内核定制和应用程序开发两项非常重要的工作。微软在两方面都提供了良好的开发工具，即内核定制工具 PlatformBuilder(简称“pB”)和应用程序开发工具visualstudioZ。
具体配置过程如下:

2. 2 　传输控制命令
控制命令传输的一个基本要求是对传输实时性的要求。为此，系统选择了54M无线路由器 LINKsyswRH54o[3刀作为机器人控制平台的无线数据收发装置，其理论传输速率为54MbPs。为得到实际应用环境下的传输速率，进行了如下实验:在空旷场地上，上位机距控制平台的直线距离为50米，在无线局域网处于空闲的状态下，从上位机传输一个17.6MB的文件到控制平台，用时29秒。实际速率=文件大小(17.6MB)/传输时间xs=4.SMbps。控制协议的长度为4个字节，传输一个命令到控制平台所需要的时间为6微秒，满足本系统设计要求。

2.3 传输视频数据
为实现对多机器人单节点现场环境图像的利用，单节点控制平台需要将现场图形采集并传输脚到图像处理计算机上。本设计使用usb摄像头进行图像采集，然后通过无线局域网进行传输的方案。图像采集与传输的流程如图所示

3．结语
本文主要介绍了基于无线局域网的多机器人控制平台的研制。主要从硬件和软件两个方面进行了非常详细的介绍。具体设计成果如下:
1设计并完成了基于ARM9的通用多机器人控制板。控制板实现了网络通信功能，USB接口摄像头图像采集功能，LCD触摸屏人机交互功能，以及扩展了通用的设备接口，如RS一232接口、IIC接口、115接口、SD卡接口、USB接口、CMOS摄像头接口和RJ45接口。
2设计并完成了基于八Tmega128的机器人车体控制器。控制器实现了直流电机控制及驱动功能，舵机的控制功能，串行接口(RS，232)通信功能，以及多路电压转换功能。
3在WINCE5.0操作系统上，使用C++语言，V编译环境，完成了中星微301USB摄像头图像采集程序的编写。
4. 个人感想
通过十周文献阅读课程的学习，让我掌握查找、使用、总结文献的基本方法。同样让我掌握了多机器人系统的基础知识和应用实例，对我以后从事这方面的研究大有裨益。

致谢：感谢陈万米老师对本工作的大力支持，在文献研读以及课堂学习过程中，陈老师悉心的指导不但给予我学术上的指导和帮助，更是让我从他身上感受到大师在对待学术和研究问题时的严谨态度和拼搏精神，这是我今后要不断学习和提高的。在此表示感谢。

参考文献：
[1 ] 徐开. 一种基于无线局域网的多机器人控制平台的研究 [学位论文] 北京邮电大学 2009.
[2 ] 王越超，谈大龙，黄闪. 一种多机器人协作通信卡法[M] 高技术通讯 2010.
[3 ]Sriram,V.S.S.;Sahoo,G. Detecting and eliminating Roque Access Points in IEEE-802.11 WLAN-a multi-agent souring Methodology. Advance Computer Conference(IACC),2010 IEEE International